Литий изогнул кремниевую микрорешетку

Американские ученые изготовили метаматериал с помощью контролируемого электрохимического литирования (внедрения лития) на трехмерную микрорешетку из полимерного материала, слоев никеля и аморфного кремния. В процессе литирования стороны решеток изгибались, образуя структуру, сходную с пересечением синусоид под прямым углом. Авторы теоретически изучили процесс и сумели создать такую решетку, ячейки которой согнулись в эмблему Калифорнийского технологического университета. Исследование опубликовано в Nature.

Многие материалы с микроструктурой обладают отрицательными значениями коэффициента Пуассона, показателя преломления, а также высокими значениями отношений прочности к плотности материала и теплопроводности к жесткости. Микроструктурированные материалы обычно обладают высокой прочностью за счет распределения механического напряжения при изменении своей геометрии. Однако, чтобы сохранять деформированную форму, такие изменения обычно требуют постоянного воздействия внешних сил.

Сяосин Ся (Xiaoxing Xia) с коллегами из Калифорнийского технического университета изогнули трехмерную решетку из полимера, никеля и кремния электрохимически. Сначала ученые методом двухфотонной литографии напечатали полимерную решетку из тонких горизонтальных балок, соединенных с короткими вертикальными стойками. После этого на решетку напылили слой никеля толщиной примерно 100 нанометров, а затем химическим осаждением из газовой фазы нанесли слой аморфного кремния толщиной примерно 300 нанометров.

Затем авторы литировали конструкцию электрохимическим путем, из-за чего стороны решетки удлинились, заставив узлы повернуться. В результате структура изогнулась так, что стала напоминать пересечение синусоид под прямым углом. В микрорешетке не обнаружилось трещин, и она осталась изогнутой даже после прекращения подачи тока.

В результате удаления лития из структуры (делитирования) решетка снова начала выравниваться почти полностью, но в некоторых местах образовывались трещины.

Авторы работы теоретически рассчитали скорость диффузии лития в зависимости от значения напряжения в структуре: полученная модель показала, что сторона решетки упруго гнется под действием сжимающих напряжений на вогнутой стороне и растягивающих напряжений на выпуклой стороне. Верхняя часть стороны решетки испытывает сжимающее напряжение, как если бы ее сжимали вдоль одной оси. По мере внедрения лития напряжения везде становились сжимающими и приближались к пределу текучести.

В обратном процессе стороны решетки сжимаются и разгибаются в большей степени, поэтому возникают значительные напряжения на растяжение, и структура частично разрушается.

С учетом теоретических расчетов распределения напряжения ученые создали такую решетку, в которой при электрохимическом внедрении лития нарушалась структура определенных ячеек, выстроенных в эмблему Калифорнийского технологического университета.

В технологии, предложенной авторами, структура меняется во всех точках одновременно и не требует постоянного внешнего вмешательства, чтобы сохранять форму, в отличие от многих полимерных микрорешеток. Ввод лития вызывает как пластические деформации, так и упругое изгибание, вызывая изменение структуры без ее разрушения. Степень деформации при этом можно регулировать через изменение электрического напряжения. В местах, где структура испытывает наиболее сильные нагрузки, можно искусственно вводить дефекты структуры, которые позволят противостоять большим объемным расширениям — частым причинам нестабильности работы электродов. Оптимизация структуры электрода поможет увеличить плотность энергии и, возможно, обеспечить эффективную работу имплантируемых систем хранения энергии.

Метаматериалы обладают особой прочностью по сравнению с обычными. В начале этого года ученые повысили прочность стали, напечатав из нее на 3D-принтере структуру из кристаллоподобных микрорешеток.

Алина Кротова